尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程项目TBM设备选型

(中铁二局工程有限公司城通分公司 四川 成都 610306)

一、引言

全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)，简称TBM，是指在常压情况下全断面开挖岩石的高度机械化刀盘式机头掘进机，主要由主机及后配套系统构成，由于其掘进速度快，地质适宜性强，在国内外长大隧道中充分应用，通常TBM分为开敞式和护盾式两种，护盾式又分为单护盾和双护盾类型，双护盾TBM的最大特点是能够实现开挖掘进与衬砌管片拼装同时平行交叉作业。

二、工程概况

(一)工程简介

尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程项目工程引水隧道为单线隧道，线路全长12.2km，除始发段150米采用矿山法施工外，其余部分均采用TBM工法施工。成型隧道过水断面4.2米，坡度为3‰，设计水流量40m3/s。

(二)地质情况

该工程项目地质位于亚喜马拉雅，也称作西瓦利克，南部以MFT为边界，北部以MBT为边界。由中新世中期至更新世早期的河流沉积组成。分为西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段(Auden，1935)。隧道与区域岩体分层线基本垂直，沿线贯穿西瓦利克上中下地层，主要以泥岩、砂岩、砾岩组成，总体属于软岩地层，整体强度不高，最高强度为55.38MPa、最低强度为3.86MPa，出现极硬岩的可能性很小，砂岩地层石英含量丰富。

(三)水文情况

工程区地下水补给来源主要为大气降水，地下水可分为孔隙潜水和基岩裂隙潜水。孔隙潜水主要分布在第四系河床冲洪积层、坡崩积层中。基岩裂隙潜水主要分布于基岩裂隙中，在基岩裂隙中作网格状流动。

三、施工重难点

1、砂岩地质段石英含量高，易造成 TBM 刀盘及刀具的严重磨损；

2、高埋深软弱泥岩地段存在围岩挤压变形造成 TBM 刀盘卡机可能性；

3、在不同强度砂岩及泥岩间掘进导致岩石强度的急剧变化，造成推进参数频繁调整；

4、通过断层时将面临高压地下水和断层失稳而导致大量涌水和掌子面坍塌的可能性。

四、TBM设备选型要素

(一)选型依据

1、TBM的设计及选型应匹配工程地质要求，从刀盘刀具、护盾设计、推进系统、拼装系统、后配套系统等方面进行专项设计，最大程度的满足工程地质及掘进要求，并配置能够处理不良地层的硬件设施。

2、TBM设备的所有组件及设备系统应完整、安全可靠，不需附加任何条件即可实现工程所应具备的功能和要求，满足足够的掘进速度和降低刀具更换的需求，确保在工期内完工。

3、TBM的主要部件应保证连续施工15千米以上，具备良好的掘进能力，满足隧道内的掘进、支护、超前处理、出渣、管片拼装、背部空隙填充及灌浆等需求，确保施工的安全质量和进度。

4、全套系统设备的组装和设计应与现场的实际情况及运输情况匹配，满足现场组织、步进、运输、维修和拆卸要求。

5、TBM的通风、除尘及冷却系统应保证洞内作业人员内有适宜的工作环境。

6、鉴于该项目的地域性，TBM的刀具需进行专项设计，综合考虑硬度、韧性等关键性指标，整体为软岩，对硬度要求不高，但不排除孤石和极端地层的存在。

(二)配置方案

1.推进系统

推进系统是为TBM向前掘进提供作用力，并将其反力传递给围岩或管片。推进系统包含主推油缸、辅推油缸、撑靴油缸、撑靴组成。在双护盾掘进模式下，推进系统有撑靴作用在围岩上，主推油缸通过反推撑靴盾提供TBM向前掘进的推力；在单护盾掘进模式下，撑靴油缸收回固定，由辅推油缸作用在管片上，向TBM提供推进反力。尼泊尔项目主推油缸为8组，辅推油缸为10组，可通过有效的选择油缸组合来实现TBM转向和纠偏，最大推力为27654kN，脱困推力为38475kN。

2.刀盘刀具

刀盘为背装式硬岩刀盘，开口率为12%。表面覆盖碳化铬合金钢板，更有效的保护刀盘，刀盘结构安全系数按照最恶劣的受力条件下5倍设计，确保了在长距离掘进情况下刀盘结构的稳定性；光滑的刀具轮廓和径向渣石铲斗，同时减少刀盘暴露在围岩下的距离，以减少刀盘磨损及阻力以减少软弱围岩下出现“卡机”的几率。刀盘上设计1个人孔，用于观测地质情况或处理刀盘前方故障。在TBM刀盘破岩时，粉尘较大，在刀盘上配置5个喷嘴，用于喷水降尘。

刀盘上设置33把17寸标准滚刀，其中中心双刃滚刀4把，单刃面刀16把，单刃边刀9把，共计33个刃口；铲斗5个，33#刀正常开挖直径5060mm，最大超挖直径5130mm，刀具超前量120mm。所有刀具均为背装式。由于整体属于软岩，又不排除极端地层的存在，故刀具需综合具备高硬度、强韧性，良好的抗冲击能力。

3.盾体设计

盾体长12米，由前盾、伸缩盾、撑靴盾及尾盾组成，由于该项目岩层较软，存在微膨胀泥岩，为降低卡机风险，TBM盾体采用倒锥形设计，刀盘开挖直径为5060mm，尾盾直径为4910mm，倒锥形的设计能够有效的降低盾体卡壳风险。

4.刀盘驱动

根据该项目的大埋深，断层及软弱围岩多，岩石强度变化频繁，部分洞段围岩存在软弱围岩收敛变形的地质特点。刀盘驱动配置6台防护等级为IP67的330kW主驱动电机，系统脱困扭矩为额定扭矩的1.5倍，具备足够的扭矩储备，以应对岩石强度的频繁变换及可能的极端地质状况。

5.主轴承及主密封系统

采用直径为3285mm的大直径轴承，轴承直径与开挖洞径比率高达 0.65，同时轴承和齿圈为分体式设计。大的轴承直径与开挖直径比率将有效的提高刀盘的扭矩和轴承寿命，是长距离连续掘进的有效保证。分体式设计较整体式设计维护性、可靠性更好的同时使得采用大的轴承直径与开挖洞径比率得以实现。

6.管片拼装机

管片拼装及为单体回转式，带有六个自由度的管片安装器和管片存储系统，可以在 15 分钟完成一整环的安装，确保软弱围岩下的快速通过。拼装机采用无线远控式，同时配备线控式操作盘。

7.管片背部空隙填充系统

该项目管片背部填充系统为豆砾石填充系统和砂浆灌浆系统，豆砾石填充系统能够快速填充管片与隧道壁之间的间隙，固定管片位置，确保设备快速掘进；底拱管片的灌浆采用 Hany ZMP 710V 灌浆泵，最大粒径 8mm，最大灌浆能力 3.9m3/h；同时在后配套尾部配备一套二次注浆系统用以填补留下的间隙，二次注浆采用施威英泵，最大泵送能力为 12m3/h。

8.纠偏装置

针对双护盾 TBM 在软弱围岩情况下易偏转的情况，该项目TBM首先在前盾位置设置稳定器，保证TBM刀盘在高转速、高贯入度的情况下前盾的稳定，同时还通过扭矩臂的调节实现纠偏以及在单护盾模式下采用纠偏环纠偏。

9.操作及控制系统

TBM操作系统采用最新的现场总线控制技术，使得设备的操作、控制，故障诊断更加简单易行，并采用中英文双语操作界面，方便中外操作手操作简单直观的操作TBM。同时PLC 系统可以采集设备的各类数据，适时故障诊断及报警，并提供安全联锁保护，保证设备的精准操作。

10.瓦斯探测系统

地质情况复杂且地勘粗糙是TBM隧道的通性，为确保人员安全，避免气体中毒，该项目在TBM主机伸缩盾、操作室及除尘管路出口分别设置有3个甲烷探测器，在操作室附近设置5个CO、CO2、H2S、SO2 、O2等探测器，对TBM掘进过程中的有毒有害气体进行适时监控。

11.除尘通风系统

为保持隧道内在产生气体情况下进行工作的安全性，该项目隧道除尘通风按照洞外和洞内分别布置，洞外采用4×90kW的串联式变频风机通过悬挂于隧道顶部的φ1400mm的风管向洞内送风，洞内设置循环风机，将盾体前方的废气、灰尘输送到车架尾部，实现空气对流，达到通风除尘效果。

12.超前地质处理系统

由于该项目地质条件较为复杂，为确保TBM安全顺利的掘进，在必要的情况需对地层进行超前处理，在TBM设计时，该项目主要通过增加预留注浆孔设计、配置超前地质钻机、配置超声波地质预报仪等措施进行超前地质预报及处理。

1、增加预留注浆孔设计

TBM在盾体上预留的注浆孔数量已经远远大于常规TBM预留数量，共计34个孔。其中：

(1)盾上预留6个倾角22°和8个倾角7°的超前孔，用于超前地质预报及处理；

(2)在伸缩盾预留6个径向润滑孔，用于径向盾体润滑，防止卡机；

(3)在撑靴盾预留14个倾角7°的超前孔，用于超前地质预报及处理。

2、配置超前地质钻机

在TBM的A桥架位置布置阿特拉斯钻机，可以通过撑靴盾的14个7°的预留注浆孔进行超前钻孔和注浆，可实现至少30米的超前加固；另一方面，利用小型钻机通过前盾的预留超前孔进行超前地质处理。

3、超声波地质预报器

采用HSP超声波探测系统进行超前地质预报，原理是通过收集刀盘开挖的声源，向前方发射信号，通过反射波走时计算前方地质界面的位置，通过反射波排列的形态推测前方地质界面的形态、方位，通过反射波的幅值、极性判断前方地质界面的物理性质。

13.后配套系统

鉴于成型隧道直径仅有4.2米，相对狭小，后配套系统采用台车式的设计方式，相较于门架式设计，台车式后配套有更为宽大的平台，在便于日常维护的同时由于平台相连提高空间利用率，可以保证有更为通畅的安全通道，提高安全性。

五、结束语

由于TBM的高度机械化及自动化，可以实现管片衬砌和开挖掘进的平行交叉作业，逐渐成为长大隧道的主要开挖设备，广泛的运用于隧道施工。但是TBM也存在一定局限性，特别是面临复杂地质条件等不利因素时，如果不能准确地预估面临的诸多风险，及时采取有效应对措施，可能导致TBM卡机停机、进度滞后、结构失事等问题，导致经济损失，甚至是人身安全。所以对TBM选型极为重要，首先需考虑TBM设备与地质条件的一致性，应根据地质情况对TBM进行相应的针对性设计；其次需综合考虑经济分析；最后应根据地质条件及选型原则，合理设计TBM机型、技术参数、辅助设备等。